Inovasi Sel Bahan Bakar Natrium Mampu Tenagai Pesawat Terbang

PARA peneliti dari MIT telah mengembangkan sel bahan bakar natrium-udara revolusioner yang dapat menggantikan baterai lithium-ion. Kepadatan energy yang dihasilkan bahkan bisa untuk menggerakan kebutuhan kelas berat seperti untuk menggerakan pesawat terbang, kereta api, dan transportasi laut.

Baterai tradisional mulai mencapai batasnya dalam hal berapa banyak energi yang dapat disimpan untuk beratnya. Itu adalah hambatan besar bagi masa depan transportasi listrik, terutama untuk mesin yang haus energi seperti pesawat terbang, kereta api, dan kapal.

Dengan menggunakan natrium cair dan udara sekitar, sistem yang dikembangkan oleh peneliti dari Institut Teknologi Massachusetts (MIT) menawarkan kepadatan energi tiga kali lipat dari baterai EV saat ini. Hal ini berpotensi memungkinkan digunakan sebagai sumber energy untuk pesawat listrik.

“Sel tersebut tidak mengeluarkan karbon dioksida dan bahkan menangkap CO2 dari udara, menghasilkan soda kue sebagai produk sampingan,” kata Profesor Yet-Ming Chiang dikutip dari laman Scitech ­Daily.

Tim peneliti MIT dan kolaborator mereka telah menemukan cara untuk mengatasinya kapasitas dan kepadatan energi. Alih-alih berupa sebuah baterai, desain baru mereka adalah sel bahan bakar.

Seperti baterai, sel bahan bakar ini menghasilkan listrik melalui reaksi kimia. Dari proses ini terdapat keuntungan besar: sel bahan bakar ini dapat diisi ulang dengan cepat daripada diisi ulang secara perlahan.

Yang lebih menggembirakan lagi, sel bahan bakar khusus ini menggunakan logam natrium cair, bahan yang murah dan tersedia secara luas, sebagai sumber energinya. Bahan lainnya berupa udara biasa. Lapisan keramik padat di antara keduanya membantu ion natrium bergerak, sementara elektroda khusus di sisi udara memicu reaksi yang menghasilkan listrik.

Kepadatan Energi

Ketika tim menguji prototipe, hasilnya sangat mengejutkan. Sel bahan bakar natrium-udara menyimpan lebih dari tiga kali lebih banyak energi per kilogram daripada baterai lithium-ion yang digunakan dalam kendaraan listrik saat ini. Itu adalah lompatan besar ke depan.

Temuan tersebut, yang diterbitkan pada tanggal 27 Mei di jurnal Joule, berasal dari mahasiswa doktoral MIT Karen Sugano, Sunil Mair, Saahir Ganti-Agrawal, Profesor Yet-Ming Chiang, dan rekan-rekannya.

“Kami berharap orang-orang berpikir bahwa ini adalah ide yang benar-benar gila,” kata Chiang, yang merupakan Profesor Keramik Kyocera. “Jika tidak, saya akan sedikit kecewa karena jika orang-orang tidak menganggap sesuatu benar-benar gila pada awalnya, mungkin itu tidak akan menjadi revolusioner,” katanya.

Dan teknologi ini tampaknya memiliki potensi untuk menjadi cukup revolusioner, sarannya. Khususnya, untuk penerbangan, di mana berat sangat penting, peningkatan kepadatan energi seperti itu dapat menjadi terobosan yang akhirnya membuat penerbangan bertenaga listrik praktis dalam skala yang signifikan.

“Ambang batas yang benar-benar Anda butuhkan untuk penerbangan listrik yang realistis adalah sekitar 1.000 watt-jam per kilogram,” kata Chiang.

Baterai lithium-ion kendaraan listrik saat ini mencapai sekitar 300 watt-jam per kilogram jauh dari yang dibutuhkan. Bahkan pada 1.000 watt-jam per kilogram, katanya, itu tidak akan cukup untuk memungkinkan penerbangan lintas benua atau lintas Atlantik.

Itu masih di luar jangkauan kimia baterai yang diketahui, tetapi Chiang mengatakan bahwa mencapai 1.000 watt per kilogram akan menjadi teknologi yang memungkinkan untuk penerbangan listrik regional, yang mencakup sekitar 80 persen penerbangan domestik dan 30 persen emisi dari penerbangan.

Teknologi ini juga dapat menjadi pendorong bagi sektor lain, termasuk transportasi laut dan kereta api. “Semuanya membutuhkan kepadatan energi yang sangat tinggi, dan semuanya membutuhkan biaya yang rendah,” katanya. “Dan itulah yang membuat kami tertarik pada logam natrium.”

Lebih dari Baterai

Banyak penelitian telah dilakukan untuk mengembangkan baterai litium-udara atau natrium-udara selama tiga dekade terakhir, tetapi sulit untuk membuatnya dapat diisi ulang sepenuhnya.

“Orang-orang telah menyadari kepadatan energi yang dapat Anda peroleh dengan baterai logam-udara untuk waktu yang sangat lama, dan itu sangat menarik, tetapi itu tidak pernah terwujud dalam praktik,” kata Chiang.

Dengan menggunakan konsep elektrokimia dasar yang sama, hanya saja menjadikannya sel bahan bakar dan bukan baterai, para peneliti mampu memperoleh keuntungan dari kepadatan energi tinggi dalam bentuk praktis. Tidak seperti baterai, yang materialnya dirakit sekali dan disegel dalam wadah, pada sel bahan bakar, material pembawa energi masuk dan keluar.

Tim tersebut menghasilkan dua versi berbeda dari prototipe sistem skala lab. Pada satu versi, yang disebut sel H, dua tabung kaca vertikal dihubungkan oleh tabung di bagian tengah, yang berisi material elektrolit keramik padat dan elektroda udara berpori.

Logam natrium cair mengisi tabung di satu sisi, dan udara mengalir melalui sisi lainnya, menyediakan oksigen untuk reaksi elektrokimia di bagian tengah, yang akhirnya secara bertahap menghabiskan bahan bakar natrium.

Prototipe lainnya menggunakan desain horizontal, dengan baki material elektrolit yang menampung bahan bakar natrium cair. Elektroda udara berpori, yang memfasilitasi reaksi, dipasang di bagian bawah baki.

Pengujian menggunakan aliran udara dengan tingkat kelembapan yang dikontrol dengan cermat menghasilkan tingkat lebih dari 1.500 watt-jam per kilogram pada tingkat “tumpukan” individu, yang akan menghasilkan lebih dari 1.000 watt-jam pada tingkat sistem penuh, kata Chiang.

Emisi Karbon Nol

Para peneliti membayangkan bahwa untuk menggunakan sistem ini di pesawat terbang, paket bahan bakar yang berisi tumpukan sel, seperti rak nampan makanan di kafetaria, akan dimasukkan ke dalam sel bahan bakar; logam natrium di dalam paket ini mengalami transformasi kimia saat menyediakan daya. Aliran produk sampingan kimianya dilepaskan, dan dalam kasus pesawat terbang ini akan dipancarkan ke belakang, tidak seperti knalpot dari mesin jet.

Tetapi ada perbedaan yang sangat besar: Tidak akan ada emisi karbon dioksida. Sebaliknya, emisi, yang terdiri dari natrium oksida, sebenarnya akan menyerap karbon dioksida dari atmosfer. Senyawa ini akan cepat menyatu dengan uap air di udara untuk membuat natrium hidroksida bahan yang umum digunakan sebagai pembersih saluran air yang mudah menyatu dengan karbon dioksida untuk membentuk bahan padat, natrium karbonat, yang selanjutnya membentuk natrium bikarbonat, atau dikenal sebagai soda kue. hay